一種新型永磁直線同步電機繞組的有限元分析

琚 莉，彭 云，袁振偉，王三保，周惠興

（1. 河南財政稅務專科學校，鄭州 450002；2. 鄭州大學 化工與能源學院，鄭州 450002；3. 中國農業(yè)大學，北京 100083）

一種新型永磁直線同步電機繞組的有限元分析

琚 莉1，彭 云2，袁振偉2，王三保2，周惠興3

（1. 河南財政稅務專科學校，鄭州 450002；2. 鄭州大學 化工與能源學院，鄭州 450002；3. 中國農業(yè)大學，北京 100083）

直線電機由旋轉電機演變而來，本文針對直線電機自身的特點，提出直線電機繞組的新型排列方式，并用Ansoft Maxwell 12進行了有限元分析模擬，實驗驗證了這種排列方式的可行性和可靠性。

永磁直線電機；Ansoft Maxwell 12；有限元分析

0 引言

在許多場合，被控對象是直線運動，傳統(tǒng)的獲得直線運動的方法，一般是旋轉電機加絲杠。由于結構上的限制，傳統(tǒng)方法的運動速度、精度和可靠性已經達到極限。直線電機沒有中間轉換環(huán)節(jié)、無傳動間隙和機械摩擦，可以獲得更高的速度和精度。U型永磁同步直線電機，其結構簡單，能適應高精度、高加速以及高速運行狀態(tài)，越來越多的應用于各種直線運動領域。

本文在傳統(tǒng)直線電機的基礎上，分析提出了一種新型U型無鐵芯直線同步電機動子的繞組，其推力波動小、響應快、體積小、結構簡單并且能有效降低成本。同時采用有限元軟件Ansoft Maxwell 12對這種繞組進行了建模分析，最后通過實際的實驗進行了檢驗。

1 新型繞組的由來

把旋轉電機沿徑向展開，定子和動子部分都做成直線形式，就得到了直線電機。這里以3相4極永磁同步電機為例，說明直線電機的轉變過程。

圖1 直線電機的由來

電機沿徑向展開，氣隙磁場由原來的圓型轉變成直線（如圖1所示），磁鋼磁力線分布情況可以近似看做一個正弦曲線（如圖2所示）。分析永磁體所產生的磁場變化可知，要想獲得最大的直線驅動力，同步直線電機繞組所產生的電磁場，同定子永磁體所產生的磁場一樣，也應該是正弦形式。

圖2 直線電機正弦變化的定子磁場

旋轉電機繞組部分，由旋轉電機展開得到的繞組平面圖如圖3所示，按星型接法，在ABC中通入正弦交流電后，繞組產生正弦變化的行波磁場，這是制造直線電機繞組最常見的方式。

圖3 旋轉電機繞組展開圖（并聯(lián)）

從圖3中可以看出，電機只有12槽，可以采用單層繞組排列方式，但是每一項繞組所跨的槽數(shù)較多，增加了電機的銅耗，同時使得無用功功率增加，難以提高電機的功率因數(shù)。線圈與線圈的疊加，也增加了電機制造和裝配的難度。考慮到直線電機有它自身的特點，我們只需要使繞組產生如圖2所示的正弦磁場，就能得到我們想要的直線驅動力。再結合U型電機的特點和U型電機磁鋼的間距，可以把繞組分開排列。這樣處理，首先避免了線圈與線圈之間的疊加，從結構上保證了線圈與線圈之間的絕緣性能。其次，線圈分開后，間距和厚度相對容易保證，線圈之間的相互擾動會減少，這也有助于提升電機的電氣性能。

圖4 繞組的轉化

如圖4所示，把線圈展開后，采用合適的間距和合適的電壓頻率，就可以得到和定子一致的正弦交變磁場，進而得到我們想要的直線驅動力。與傳統(tǒng)直線電機繞組比較，這種新型繞組具有銅耗低、結構簡單、效率高、制造以及裝配方便等諸多優(yōu)點。

2 繞組分析

Ansoft公司的Maxwell 是一個功能強大、結果精確、易于使用的二維/三維電磁場有限元分析軟件。它可以用于靜電場、靜磁場、時變電場，時變磁場，渦流場、瞬態(tài)場和溫度場計算，在分析電機、傳感器、變壓器、永磁設備、激勵器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常工況和故障工況的特性方面都很有優(yōu)勢。Maxwell具有很強的專業(yè)性，并且容易掌握，越來越多的受到工程技術人員的青睞。

下面以最簡單的三個線圈的直線電機為例，分析檢驗這種繞組的可行性，電機為三相，每相一個線圈，平行排列，電機參數(shù)見表1。

表1 U型直線電機分析參數(shù)

電機速度設定為5mm/s，加載電壓為15V三相交流電，暫不考慮磁鋼軛部的影響，在Ansoft中建立2D瞬態(tài)分析模型，建立模型如圖5所示。

圖5 直線電機2D模型

采用手動設置網格精度，對線圈、氣隙及磁鋼部位進行網格細化，以提高計算結果的準確性。網格劃分如圖6所示：

圖6 網格劃分

以下是分析結果， 圖7是新型繞組的運動方向推力曲線。

圖7 電機推力曲線

從推力曲線上可以看出，當加載15v的電壓時，持續(xù)推力穩(wěn)定在14.5N，推力波動幅度很小，達到我們的預期目標，圖8是電機的反電動勢曲線，電機運行平穩(wěn)后，反電動勢曲線嚴格遵循三相交流電的相位和波形，這也符合電機的實際運行特征。

圖8 繞組反電動勢曲線

圖9是繞組的磁鏈曲線。

在t＝2.5s時磁力線分布情況如圖10所示。

在t＝3.5s時電機磁通密度分布情況如圖11所示。

這種三組線圈動子繞組的仿真分析結果，和我們所制做動子的實際實驗數(shù)據結果基本一致。

圖9 繞組磁鏈曲線

圖10 繞組磁力線分布

圖11 繞組磁通分布云圖

3 結論

本文提出的新型繞組排列方式，簡化了無鐵芯直線電機動子的制作過程，同時也便于電機模型的有限元分析，并且能夠有效的保證電機的電氣性能，再加上可運用高效便捷的Ansoft Maxwell軟件進行分析，能有效避免設計中的失誤，縮短設計周期，優(yōu)化電機性能，有助于直線電機事業(yè)的快速發(fā)展。

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A novel winding method based on fi nite element analysis for permanent magnet linear synchronous motor

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TP391

B

1009-0134(2011)5(下)-0139-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).44

2011-01-24

河南省基礎與前沿技術研究計劃項目（092300410037）

琚莉（1967－），女，河南武陟人，講師，本科，研究方向為工程問題的教學分析與計算。

致謝：本文撰寫過程中得到了鄭州微納科技有限公司的大力支持，在此表示衷心感謝。